盆栽和池栽對普通白菜鎘累積差異性研究

弭寶彬 汪端華 劉 峰 梁成亮 周火強(qiáng) 謝玲玲 戴雄澤

（湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，湖南長沙 410125）

鎘（Cd）是分布廣泛、危害性極大的重金屬污染物，具有極強(qiáng)的可移動性，可通過生物富集作用進(jìn)入人體，威脅人類的身體健康（Mohan et al.，2007；Kula et al.，2010），引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題和社會問題。蔬菜是人類重金屬富集的主要來源（Zaidi et al.，2005），白菜類蔬菜在國民消費(fèi)中比重較大，因此研究白菜類蔬菜對重金屬Cd的累積特性具有重要意義。

已有研究表明，蔬菜中重金屬累積呈現(xiàn)較為明顯的基因型差異，篩選重金屬低累積品種已成為降低蔬菜重金屬含量最直接、有效的途徑（Wang et al.，2009； 代 成 成，2010；Liu et al.，2010；Li et al.，2012；Liu et al.，2013；Xin et al.，2014；He et al.，2015；Tang et al.，2016；劉峰 等，2017）。蔬菜中重金屬的累積量在一定程度上受土壤基本理化性質(zhì)包括有機(jī)質(zhì)含量、pH、土壤含水量、粘粒、CEC、Eh等的影響（Helmisaari et al.，2007；王坤等，2014；Leszczynska & Kwiatkowska-Malina，2015），其中以pH、有機(jī)質(zhì)含量影響較大（Adamu et al.，1989；楊潔 等，2017；Yang et al.，2018）。土壤中重金屬Cd的存在形態(tài)也是影響作物Cd累積量的主要因素之一（何玉亭 等，2018；羅惠莉等，2018）。但是，由于栽培方式的不同，即使在同種蔬菜、相同種植管理模式下，蔬菜中重金屬累積量也可能出現(xiàn)較大的差異（徐麗紅 等，2007）。目前有關(guān)重金屬污染土壤中蔬菜重金屬累積規(guī)律研究主要采用實(shí)地調(diào)查法及盆栽試驗(yàn)法。盆栽試驗(yàn)法較實(shí)地調(diào)查法更節(jié)約時(shí)間和成本，且重金屬累積規(guī)律性更為明顯，是蔬菜安全性生產(chǎn)研究中廣泛采用的一種試驗(yàn)方法。本試驗(yàn)以普通白菜為研究對象，對盆栽和池栽兩種栽培方式下不同基因型普通白菜中重金屬Cd的累積特性進(jìn)行比較分析，考察不同栽培方式對Cd累積的影響，以期為普通白菜重金屬Cd累積規(guī)律研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試的10個(gè)普通白菜品種分別為536小白菜、黃金快菜、上海青、京研奶白菜、精品湘潭矮腳白、兔子腿矮腳白、矮抗佳雪、早熟5號、奶白1號、德高躍華，種子均購自湖南省長沙市馬王堆種子市場。

1.2 試驗(yàn)方法

采用人工添加CdCl2溶液進(jìn)行Cd污染普通白菜盆栽和池栽試驗(yàn)，所用土壤取自湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所高橋試驗(yàn)基地耕種層，土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)含量 20.10 g·kg-1，全氮 1.07 g·kg-1，全磷0.98 g·kg-1， 全鉀18.70 g·kg-1，堿解氮95.70 mg·kg-1，有效磷66.30 mg·kg-1，速效鉀 139.70 mg·kg-1，Cd 0.01 mg·kg-1，pH 值 4.76。

首先將供試土壤自然曬干、粉碎后過1 cm×1 cm篩，除去石礫、植物殘?bào)w等雜物，按照10 kg土壤配復(fù)混肥（N-P-K為15-15-15）5 g的比例充分混勻，然后根據(jù)風(fēng)干土壤用量人工添加CdCl2溶液（母液濃度為100 mg·L-1），模擬不同Cd污染程度，使處理后土壤中Cd濃度分別在輕度（0.3～0.6 mg·kg-1）、中度（0.7～1.5 mg·kg-1）、重度（＞ 1.5 mg·kg-1）3個(gè)濃度梯度內(nèi)。其中盆栽試驗(yàn)采用非金屬工具將土壤裝入內(nèi)盆后，分別置于不同的平衡池中，完全灌水平衡3個(gè)月，平衡過程中加蓋防水油布；平衡后采用五點(diǎn)取樣法分別取1 kg土壤，參照GB/T 17141—1997標(biāo)準(zhǔn)，用硝酸、氫氟酸、高氯酸充分消解后，采用石墨爐原子吸收分光光度法測定土壤中Cd的實(shí)際濃度分別為0.42、1.08、3.69 mg·kg-1。同樣，栽培池土壤覆水平衡3個(gè)月后用于池栽試驗(yàn)，測得Cd實(shí)際濃度分別為0.56、1.08、2.33 mg·kg-1。

試驗(yàn)于2017年9～12月在湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所高橋試驗(yàn)基地重金屬低鎘蔬菜品種篩選連棟溫室中進(jìn)行。普通白菜各品種均于9月18日進(jìn)行育苗，育苗床土充分澆水，土壤濕度以最大持水量的65%～80%、空氣濕度以80%～90%為宜，播種后室內(nèi)溫度白天保持在20～25 ℃，夜間不低于10 ℃。幼苗2～3片真葉時(shí)移栽，盆栽試驗(yàn)采用圓形塑料套盆，下底直徑35 cm，高40 cm，上底直徑40 cm，底部留有排水孔，內(nèi)盆和外盆間套塑料袋，防止?jié)菜笴d溶淋至外界環(huán)境中，每個(gè)品種每個(gè)濃度處理10盆，每盆3株，土壤裝盆質(zhì)量一致，土層深度30 cm；池栽試驗(yàn)中栽培池長28 m、寬1 m、高0.4 m，水泥溝渠兩邊各有約10 cm的突出，土層深度控制在30 cm，每個(gè)品種每個(gè)濃度處理種植30株。盆栽試驗(yàn)和池栽試驗(yàn)均采用隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)；澆水采用膜下滴灌，其他栽培管理措施同常規(guī)。

普通白菜達(dá)到采收標(biāo)準(zhǔn)（葉簇由旺盛生長轉(zhuǎn)向閉合生長，心葉伸長到與外葉齊平）時(shí)進(jìn)行取樣，其中池栽試驗(yàn)取樣時(shí)間為12月8日，盆栽試驗(yàn)為12月22日。每處理隨機(jī)選取生長一致的植株5株，用木鏟小心將植株整株挖出，自來水沖洗根部，用吸水紙吸取多余水分后進(jìn)行地上部和地下部分離，將可食部位用組織研磨機(jī)打成勻漿，稱取0.3～0.5 g，經(jīng)酸消解后參照GB/T 5009.15—2014測定Cd含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步處理，采用DPS 9.50數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行方差分析，采用Origin 8.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基因型對普通白菜Cd累積量的影響

圖1 盆栽試驗(yàn)中不同土壤Cd濃度對普通白菜Cd含量的影響

由圖1和圖2可見，參試10個(gè)普通白菜品種的可食部分Cd含量均隨著土壤Cd濃度的增加而增加。盆栽試驗(yàn)中，在Cd中度（1.08 mg·kg-1）、輕度（0.42 mg·kg-1）污染的土壤中收獲的普通白菜可食部分的Cd含量均未超標(biāo)（GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》中規(guī)定Cd＜200 μg·kg-1），但在 Cd 重度（3.69 mg·kg-1）污染的土壤中收獲的普通白菜均檢出Cd超標(biāo)；且普通白菜中Cd累積量呈現(xiàn)明顯的基因型差異。綜合比較，黃金快菜在中度、輕度Cd污染土壤盆栽種植安全性較好，具有較強(qiáng)的耐Cd能力；隨著土壤Cd濃度增加，普通白菜不同品種間的Cd累積量差異明顯，在Cd濃度為3.69 mg·kg-1時(shí)，精品湘潭矮腳白的Cd累積量最大，為535.40 μg·kg-1，上海青最少，為 251.90 μg·kg-1，相差 2 倍多。

池栽試驗(yàn)中，10個(gè)普通白菜品種在本試驗(yàn)土壤Cd濃度下全部符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)（Cd＜200 μg·kg-1），均未出現(xiàn)超標(biāo)情況。但在同等Cd污染條件下，普通白菜不同品種間Cd累積量仍存在較大差異，其中兔子腿矮腳白在中度、重度Cd污染水平下的Cd累積量較高，而536小白菜表現(xiàn)為Cd相對低累積。在中度Cd污染水平（土壤Cd濃度為1.08 mg·kg-1）下，盆栽10個(gè)普通白菜品種的Cd 累積量均值為 115.08 μg·kg-1，而池栽為 64.57 μg·kg-1，差異明顯（圖2）。

圖2 池栽試驗(yàn)中不同土壤Cd濃度對普通白菜Cd含量的影響

2.2 不同栽培方式對普通白菜Cd累積量的影響

將盆栽試驗(yàn)和池栽試驗(yàn)中10個(gè)普通白菜品種植株Cd含量與土壤Cd濃度分別進(jìn)行整合并線性擬合，結(jié)果如圖3所示。參試的10個(gè)普通白菜品種Cd累積量與土壤Cd濃度均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，池栽試驗(yàn)中普通白菜Cd含量隨土壤Cd濃度的變化幅度總體上小于盆栽試驗(yàn)（除上海青外），表明池栽可有效降低普通白菜的Cd累積量，降低種植風(fēng)險(xiǎn)。其中以536小白菜表現(xiàn)最為明顯，當(dāng)池栽土壤 Cd 濃度由 0.56 mg·kg-1增加至 2.33 mg·kg-1時(shí)，536小白菜植株Cd累積量僅增加22 μg·kg-1。重金屬富集系數(shù)可反映植物對重金屬富集程度的高低或富集能力的強(qiáng)弱，536小白菜的富集系數(shù)F（作物Cd含量/土壤Cd濃度）在盆栽試驗(yàn)中分別為0.10、0.10和0.12，在池栽試驗(yàn)中則為0.08、0.06和0.03，盆栽的Cd富集系數(shù)明顯高于池栽。

3 結(jié)論與討論

溫室盆栽或池栽是研究作物重金屬累積規(guī)律中常用的試驗(yàn)方法（侯艷偉 等，2014），但不同的栽培方式會影響作物的生理生化特性（李林鮮 等，2016），可能導(dǎo)致作物重金屬安全性評價(jià)出現(xiàn)較大的差異。本試驗(yàn)結(jié)果表明，盆栽和池栽試驗(yàn)中普通白菜Cd累積量均隨著土壤Cd濃度的增加而增加，但不同栽培方式下普通白菜Cd的累積量存在較大差異，因此可采用適宜的栽培方式降低重金屬Cd污染地區(qū)普通白菜的生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)。參試的10個(gè)普通白菜品種中，除上海青外，其余9個(gè)品種隨著土壤Cd濃度的增加，盆栽普通白菜中Cd累積量增加幅度明顯高于池栽，其中以536小白菜增加最為明顯，相較于盆栽方式，池栽的富集系數(shù)明顯降低。盆栽普通白菜中Cd累積量總體上高于池栽，在土壤Cd濃度為1.08 mg·kg-1時(shí)，盆栽普通白菜Cd累積量均值為115.08 μg·kg-1，而池栽僅為64.57 μg·kg-1，差異明顯，表明池栽方式可在一定程度上降低普通白菜Cd的累積量，該緩解作用可能歸因于池栽方式下普通白菜根部土壤容量大，根系生長較快，致使池栽普通白菜的收獲期明顯早于盆栽，使得土壤中Cd與普通白菜根系接觸時(shí)間減少，從而達(dá)到Cd累積量降低的效果。

本試驗(yàn)中，同等Cd污染條件下，普通白菜不同品種間Cd累積量存在較大差異，表明普通白菜中Cd累積量與基因型有關(guān)。已有研究表明，作物對Cd的累積量主要與其根系的吸收及根莖轉(zhuǎn)移能力相關(guān)，當(dāng)品種間根系的Cd親合力和（或）根系向地上部的運(yùn)輸能力存在較明顯差異時(shí)，即使在同一種植土壤及相同管理模式下，也會使Cd累積量表現(xiàn)出明顯的基因型差異，且土壤中Cd濃度越高，此差異性越明顯（Arao et al.，2003）。有學(xué)者研究不同基因型作物對Cd吸收的差異性原因，發(fā)現(xiàn)其可能與生物學(xué)產(chǎn)量不一致、根系分泌物及根系pH值變化以及不同基因型在抗氧化性方面存在差異有關(guān)（顧丹丹 等，2014；辛絹，2017）。另外，由于Cd2+只能通過競爭H+、Fe2+、Zn2+、Ca2+等離子的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入植物細(xì)胞，同時(shí)Cd在植物體內(nèi)的運(yùn)輸和植物本身的蒸騰作用存在顯著相關(guān)性，鋅鐵調(diào)控蛋白ZIP家族（如鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ZNT、鐵離子調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白IRT）在Cd轉(zhuǎn)運(yùn)過程中起著非常重要的作用。如不同番茄品種對Cd的累積差異性主要是由Nramp2、Nramp3和ZIP基因表達(dá)差異導(dǎo)致的，同時(shí)在抗氧化活性方面也存在較為顯著的差異（趙首萍 等，2010）。由此可見，通過篩選低Cd積累品種對于Cd污染地區(qū)的作物安全生產(chǎn)具有重要意義。